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수성: 작은 행성의 놀라운 이야기


태양과 가장 가까운 행성인 수성은 항상 수성의 옆에 있기 때문에 관찰하기가 쉽지 않습니다. 수성은 해가 진 직후의 서쪽 하늘과 일출 직전의 동쪽 하늘에서만 볼 수 있습니다. 그리고 만약 여러분이 망원경을 통해 수성을 본다면, 수성의 위상이 달처럼 변하는 것을 볼 수 있습니다. 수성의 표면은 달과 매우 비슷하게 보입니다.

 


태양계 최초의 행성인 수성은 어떻게 형성되었을까요?


수성의 기원을 생각할 때 비슷한 크기의 달보다 밀도가 상당히 높다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이것은 수성의 중심부에 밀도가 높은 핵이 있다는 것을 보여줍니다. 1987년에 수행된 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 수성은 형성 초기에 아마도 큰 꼬리 별과 충돌했을 것입니다. 이 이론에 따르면 충돌로 인해 대부분의 외부 물질이 우주 공간으로 날아가 중심부에 철과 니켈이 남게 되었습니다. 그 결과 행성의 평균 밀도가 크게 증가하여 현재의 수성이 되었습니다.
대기가 거의 없는 매우 가벼운 가스층을 가지고 있습니다. 대기의 물 밀도는 1011 m-3 이하로 매우 얇으며 수소, 헬륨, 나트륨, 칼륨, 칼슘과 같은 원자를 포함하고 있습니다. 다른 행성들처럼 대기는 생성 초기에 존재했다고 생각되지만 작은 중력 때문에 대부분 우주로 날아갔을 것입니다. 현재 대기는 다양한 방식으로 공급됩니다. 태양풍의 수소와 헬륨은 물의 자기장에 의해 갇히는 반면 산소, 나트륨, 칼륨과 같은 원자는 미세한 운석의 충돌로 땅에서 증발합니다.
표면의 평균 온도는 약 452K(-179℃)이지만 온도 변화는 약 90K(-183℃)에서 700K(427℃)로 매우 심합니다. 놀랍게도 1992년에 레이더 관측을 통해 수성의 북쪽 지역에서 물과 얼음이 발견되었습니다. 혜성의 충돌이나 수성 내부의 물 방출로 인한 얼음은 1년 동안 햇빛이 비치지 않는 극지방 분화구의 바닥에 남아 있었던 것으로 추정됩니다.

 


수성은 달처럼 생겼고, 크고 빽빽한 핵을 가지고 있습니다.

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수성의 지형은 달의 지형과 비슷합니다. 하지만 관측 결과 지구에는 달보다 구덩이가 더 적은 것으로 나타났습니다. 달과 수성이 비슷한 시기에 형성되고 충돌한 운석의 비율이 비슷하다고 가정하면 수성의 표면이 개질된 것으로 추정할 수 있습니다. 종종 이러한 리모델링은 수성이 달보다 크고 태양에 가깝기 때문에 초기 형성 후 비교적 천천히 냉각되었다는 사실에 근거합니다. 천천히 냉각되면서 용암이 표면으로 떠올라 오래된 구덩이 지역을 덮었습니다. 또한 수성은 태양의 조석력으로 인해 적도 부분이 불룩 튀어나오는 것이 특징입니다.
수성의 핵은 반지름이 1,800 km로 철과 같은 무거운 원소로 이루어져 있습니다. 이는 지구 반지름의 약 4분의 3에 해당합니다. 수성의 평균 밀도는 5,430 kg/m3로 지구보다 약간 작습니다. 수성의 철심은 전체의 42%를 차지합니다. 그리고 핵은 600 km 두께의 맨틀로 덮여 있지만 다른 지구 행성에 비해 매우 얇습니다.

 

수성


두 궤도로 세 바퀴 도는 행성


1639년 이탈리아의 조반니는 망원경으로 수성을 관측했고, 수성이 금성이나 달처럼 차갑고 기울어져 있다는 것을 발견했습니다. 이것은 수성이 태양을 돌고 있다는 것을 분명히 했습니다.
1965년 레이더 관측 전에는 수성이 지구의 달과 마찬가지로 궤도를 돌 때 한 바퀴 돈다고 생각했습니다. 하지만 실제로 수성의 자전과 공전은 3:2의 비율입니다. 즉 태양 주위를 두 바퀴 도는 동안 세 바퀴 돈다는 것입니다. 수성의 자전과 공전이 같을 것이라고 생각한 이유는 지구에서 볼 때 수성이 관측하기 가장 좋은 위치에 있을 때 항상 같은 면을 보이기 때문입니다. 사실 수성이 3:2의 비율로 자전과 공전을 움직이면서 같은 위치에 있을 때 관측되었기 때문입니다. 이 3:2의 비율로 인해 수성의 항성일(회전 주기)은 약 58.64일인데 반해 수성의 태양일(태양의 자오선을 수성 표면에서 지나는 간격)은 약 176일로 대략 세 번입니다.
수성의 자전축은 행성 중 가장 작은 약 0.01도의 기울기를 가지고 있습니다. 이는 두 번째로 작은 기울기를 가진 목성(약 3.1도)의 300배입니다. 따라서 수성의 궤도에서 볼 때 태양의 대부분은 천장을 통과하여 남북으로 약 0.01도만 움직입니다.
수성의 궤도이심률은 태양계 행성 중 가장 큽니다. 이 궤도의 근일점은 약 0.31AU, 근일점은 약 0.47AU로 큰 타원 궤도를 그리고 있습니다. 이 궤도의 근일점은 느리게 움직이고 있습니다(근일점 자체가 태양을 공전하므로 100년 동안 그 운동 정도는 574초입니다). 이 중 531초는 금성과 같은 다른 행성의 중력 효과로 설명할 수 있지만 나머지 43초는 뉴턴의 고전역학으로 설명할 수 없습니다. 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없었던 43초는 나중에 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 설명되었습니다.
수성은 매우 약한 자기장을 가지고 있습니다. 마리너 10호 위성이 관측한 바에 따르면 고도 330 km에서 최대 자기장 세기는 약 4X10-7T입니다. 이는 지구 표면보다 약 100배 약한 것입니다. 별이나 행성의 일반적인 자기장 이론은 다이너모 이론입니다. 다이너모 이론은 행성과 내부의 액체 금속 핵이 회전한 결과로 자기장을 보고 있습니다. 하지만 수성의 회전 속도는 매우 느려서 다이너모 이론과는 어울리지 않습니다. 그래서 일부 학자들은 과거 기온이 높고 회전 속도가 빨랐을 때 형성된 수성의 자기장이 여전히 '얼어 있다'고 말합니다.